工程中，将某种液体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为热交换器（亦称换热器）^[1]。换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如在动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器；电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器；冶金工业中高炉的热风炉；炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；航空航天工业中发动机及辅助动力装置的散热设备，都是换热器的应用实例。由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面，各国都在致力于新能源开发，因而热交换器的应用又与能源的开发（如太阳能、地热能、海洋热能）与节约紧密相连。所以，换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、制冷、食品、航天等各工业部门，对换热器的研究也显得尤为重要。

换热器根据其所适用工况的不同、流通介质的不同、工作温度及压力的不同，换热器可以分为很多类型，直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器就是三种常见的换热器类型^[2]。板式换热器是间壁式换热器中的一类典型代表。

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。其主要组成部分还包括密封胶垫、固定活动压紧板、夹紧螺柱、夹紧螺母、上下导杆等（如图1）。

图1 板式换热器结构简图

金属换热板片按照一定顺序排列，相邻两板片即组成流体区域，冷、热流体在各自的流道内流动，通过板片进行换热。它与常规的壳管式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。同时，板式换热器也具有结构紧凑、体积小、重量轻、污垢系数低、拆卸方便、板片品种多、适用范围广等优点。国外自20世纪30年代开始，板式换热器的应用已非常普遍。我国于20世纪70年代，开始批量生产板式换热器，当时大多用在食品、轻工、机械等部门；20世纪80年代初期，扩大到民用建筑的集中供热；20世纪80年代中期，随着高层建筑集中空调的增多和空调制冷设备产品的更新换代，板式换热器在空调制冷领域里的应用已名列前茅。近年来，板式换热器技术日益成熟，在各个行业中得到了广泛应用^[2]。

1.1国外研究现状

1930年APV公司研究出不锈钢波纹片板型板式换热器，为现代板式换热器奠定了基础。W.W.Focke采用有限扩散电流技术（DLCT)，通过类比关系得到了人字形通道的传热速率^[3]，通过实验研究和应用实验表明，人字形的传热特性和流阻特性效果优良，因为近几十年板式换热器的板片多采用人字形。创新板型以及研究版型的几何参数对换热和流动的影响是板式换热器的主要研究方向之一。Muley和Manglik通过实验分析了多种板式换热器的数据，得到了一系列换热及流阻的综合关系式^[4]。Mir-Akbar Hessami通过两种板片从层流到紊流区的实验，在不改变波纹高度和波纹距离的条件下，比较了60°和45°的波纹，指出对于60°波纹人字形板片的努谢尔数和摩擦系数是45°的2倍左右^[5]。限制板式换热器使用的一个重要因素是它的流动阻力较大。对于板式换热器的阻力特性和压力分析问题，Reinhard Wurfel，Nikolai Ostrowski进行了较细致的研究，说明了影响板式换热器性能的主要原因之一是变负荷及波纹板几何参数的影响^[6]。Muley在低雷诺数状态下，对水-水和水-蔬菜油介质板式换热器进行了阻力实验，分析了不同波纹倾角板片参数对流阻的影响^[7]。Reinhared Wiirful等人对波纹板式换热器蒸汽冷凝性能进行了实验研究，在完全凝结工况下研究了不同板片结构 、不同负荷及波纹倾角^[8]对换热和流阻的影响。板式换热器中流体的分布不均匀是影响板式换热器性能的一个主要因素。B.PrabhakaraRao等人对板式换热器中不均匀流动做了分析研究。研究表明，在板式换热器流道中流速相等的假设与实验情况有很大出入。他们在实验基础上考虑了非均匀流动分布因素，建立了新的传热与流动阻力公式，其结果与实验吻合较好^[9]。近年来，人们热衷于采用计算流体力学(CFD)手段对板式换热器进行数值模拟，将 CFD与实验有机结合在一起研究板式换热器是一种高效、经济的研究手段.国外早在1974年由英国科学家Patankar和Spalding首先采用CFD手段对换热器进行数值模拟研究，他们计算了管壳式换热器的流阻^[10]。Carlas.S.Femandes和Ricardo Dias等人运用CFD软件对板式换热器中搅拌酸奶的生产过程进行了模拟，建立了非牛顿流体模型，经过数值计算得到其速度场和温度场^[11]。Young Kwon Jung等人通过CFD模拟板式换热器热降和压降特性，得出结论：无论在什么情况下，j因子（科尔本传热因子）均随流量线性减小；当质量流量增加时，f因子（阻力因子）线性减小^[12]。

Joon Ahn和Hyouck Ju Kim对密封板式换热器冷热流体两侧的传热和压降进行了研究，在密封板式换热器中，一侧的压降受另一侧的流量、工作压力等工况的影响较大。相反，一侧的传热不依赖于另一侧的工况条件^[13]。Gennadii Khavin^[14]研究了波纹管几何参数对其传热能力的影响，考虑了波纹管不同高度通道热交换器计算的具体应用，并提出了一种利用加热侧不同高度的波纹和内嵌热载流子强化圆板换热器通道传热过程的方法。这种结构的使用导致通道内流速的均衡化，通道数量的减少，以及板材传热表面剪切应力的增加。

1.2国内研究现状